利用屏蔽柵極功率 MOSFET 技術(shù)降低傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗

監(jiān)管機(jī)構(gòu)與終端客戶(hù)對(duì)DC/DC電源效率的要求越來(lái)越高。新的設(shè)計(jì)要求更低的導(dǎo)通阻抗，同時(shí)不能影響非鉗位電感性開(kāi)關(guān)(UIS)能力或者不增加開(kāi)關(guān)損耗。屏蔽柵極MOSFET可為30～200V范圍的DC/DC電源設(shè)計(jì)人員提供相關(guān)解決方案?，F(xiàn)在，通過(guò)提高開(kāi)關(guān)性能，導(dǎo)通阻抗Rds(on)已能降低50%及以上，從而提高效率，為更高頻率工作創(chuàng)造條件。本文討論了屏蔽柵極MOSFET在中等電壓MOSFET(40～300V)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
DC/DC設(shè)計(jì)人員一直面臨著提高效率和功率密度的挑戰(zhàn)。而功率MOSFET技術(shù)的不斷進(jìn)步幫助他們得以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。導(dǎo)通阻抗Rds(on)和柵極電荷Qg中，一般總是一個(gè)減小則另一個(gè)增大，故功率MOSFET設(shè)計(jì)人員必須考慮到二者之間的權(quán)衡。一種新的溝槽MOSFET工藝可以做到減小Rds(on)，卻不影響Qg。這種技術(shù)就是屏蔽柵極技術(shù)。它能夠減小中壓MOSFET中導(dǎo)通阻抗的關(guān)鍵分量——與漏源擊穿電壓(BVdss)有關(guān)的外延阻抗(epi resistance)。如圖1所示，這種技術(shù)特別適用于大于100V的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖1 傳統(tǒng)溝槽技術(shù)中Rds(on)的各個(gè)分量

圖1所示為額定30V與100V的傳統(tǒng)溝槽MOSFET的Rds(on)分量的比較。對(duì)于100V的器件，Rds(on)中外延分量百分比要大得多。而利用屏蔽柵極這樣的電荷平衡技術(shù)，外延阻抗可降低一半以上，同時(shí)不會(huì)增加總的Qg或Qgd分量。

電荷平衡技術(shù)
圖2對(duì)傳統(tǒng)器件與屏蔽柵極溝槽器件的橫截面進(jìn)行了比較。后者通過(guò)整合一個(gè)屏蔽電極來(lái)實(shí)現(xiàn)電荷平衡，支持該電壓區(qū)域的阻抗和長(zhǎng)度都被減小，從而大幅降低Rds(on)。

圖2 (a)傳統(tǒng)器件
    (b)屏蔽柵極電荷平衡溝槽結(jié)構(gòu)

此外，屏蔽電極位于柵極電極之下，后者把傳統(tǒng)溝槽MOSFET底部的大部分柵漏極電容(Cgd或Crss)都轉(zhuǎn)換為柵源極電容(Cgs)。于是，屏蔽電極就把柵極電極與漏極電勢(shì)隔離開(kāi)來(lái)。

圖3比較了具有相等Rds(on)的傳統(tǒng)MOSFET與屏蔽柵極溝槽MOSFET的電容分量。由于Crss減小，從關(guān)斷切換到導(dǎo)通狀態(tài)，或從導(dǎo)通切換到關(guān)斷狀態(tài)所需的時(shí)間縮短，開(kāi)關(guān)損耗因此被降至最低。特別地，如圖4所示，減小Qgd，可把器件同時(shí)加載高壓和大電流的時(shí)間縮至最短，從而減小開(kāi)關(guān)能耗。

圖3 在20A Rds(on) 5.7mΩ的相同條件下，傳統(tǒng)器件與屏蔽柵極溝槽器件的電容分量的比較[!--empirenews.page--]

圖4 在20A Rds(on) 5.7mΩ的相同條件下，傳統(tǒng)溝槽器件和屏蔽柵極溝槽器件在20A/50V時(shí)的Qg曲線(xiàn)的比較

另外，屏蔽層及其阻抗相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)建緩沖電阻(snubbing resistance，(Rshield))－電容(Cdshield)網(wǎng)絡(luò)，如圖3中的Coss分量所描述。這個(gè)緩沖網(wǎng)絡(luò)可減慢開(kāi)關(guān)從低壓向高壓的轉(zhuǎn)換速度。屏蔽柵極的這一特性有助于減少開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間的EMI、dv/dt引起的誤導(dǎo)通和雪崩效應(yīng)。

DC/DC 1/16磚模塊的性能提高
在輸入電壓48V、輸出3.3V、工作頻率400kHz、電流范圍10～20A的隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器初級(jí)端中，對(duì)飛兆半導(dǎo)體FDMS86252 150V屏蔽柵極MOSFET與同類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行比較。結(jié)果如圖5所示。從圖中可看到，由于采用了屏蔽柵極技術(shù)，F(xiàn)DMS86252的效率最少可提高0.4%，這就意味著至少0.32W的功率節(jié)省，看似微不足道，但對(duì)DC/DC設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)卻至關(guān)重要，因?yàn)橐獫M(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求，每一個(gè)百分點(diǎn)的效率提高都非常珍貴。

圖5 在一個(gè)48VVIN，3.3VVOUT，400kHz工作頻率的隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器中，飛兆半導(dǎo)體FDMS86252 150V屏蔽柵極MOSFET與同類(lèi)產(chǎn)品的比較

總結(jié)
相比前幾代技術(shù)，飛兆半導(dǎo)體新推出的PowerTrench MOSFET技術(shù)具有更好的Rds(on)和Qg。這種技術(shù)讓電源設(shè)計(jì)人員能夠把效率和功率密度提高到一個(gè)新的水平。